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漫谈HDR——我对HDR技术的理解

虫马虫义sjz 发表于 2019-9-15 14:02:56 | 显示全部楼层
前段时间在社区讨论4K UHD技术时发现自己与部分网友对HDR的认知有所不同,这段时间利用碎片时间把我对HDR的理解一点一点写了下来,希望对大家有所帮助。
9 l' S5 F: i" g% K1 o/ J首先,什么是“HDR”?  V: g# i& s/ X2 d9 I/ b
HDR英文全称是High?Dynamic?Range,翻译过来就是高动态范围,是为了还原自然光线的高动态范围而开发的技术。目前的摄影和视频领域都有HDR技术,二者的目的相近,但工作原理和最终效果却不尽相同。摄影领域HDR的基本原理是“多次曝光,软件合成”。, U$ C# q! ^# w0 ?% b3 U
我们知道,自然界中的光线变化是很大的,人类的眼睛在长期的进化过程中也已经适应了自然界的光线,能够在明暗反差强烈的环境中轻松的观察到高光和低光部分的细节。但目前的静态图像显示技术还远远达不到这样高的动态范围。不管在系统层面(各大操作系统Windows、MAC?OS、Linux、iOS、Android)、软件层面,还是硬件显示层面,静态图像的存储、显示一般都使用8?bit?sRGB色彩空间,这种规格能表示的色彩深度和范围都远不如自然界的光线宽广。所以即使目前的摄影技术已经进步到可以无损保存高动态范围图像(RAW格式),但是在最终的显示环节依然受显示技术和软件环境的限制,通常情况下不能直接显示超过8bit色深的静态图像。
3 C: e; b  B+ ^有过逆光拍照经历的朋友都知道,在光线对比强烈的环境中,我们的相机无法同时记录高光和低光部分的细节,按高光部分曝光低光部分就是一片死黑,按低光部分曝光高光部分就是一片死白,明明肉眼能看到高光和低光部分的很多细节,但拍到的照片完全是另外一番景象。' B) ?2 u. `- b8 t% @
自动曝光▼+ J( r+ t, j3 Z
日落.jpg
, ~  T$ H2 a* E) G7 N$ N按高光部分曝光▼- E" a4 ]+ W6 ~3 b0 h1 B% |+ Y+ s
日落-3.jpg
$ Z; y; l" I- N' `5 Z0 t( s8 D按低光部分曝光▼
2 l2 f: |2 G& q3 A 日落+3.jpg ; L( [9 {* e* W( L1 i+ ^2 @
HDR技术就是为了解决这样的问题诞生的。虽然照片不能同时显示高光和低光部分细节,但是可以用手动调整曝光的方式分别拍摄高光和低光部分,后期用软件把曝光不同的几张照片的明暗部分合成为一张HDR图片,从而把高光和低光部分细节同时呈现出来。
( ^( F% U8 j* ]  z- J用PS把上面的三张照片合成为HDR图片▼
" J: c0 _, c0 _: m; ]' G' b 日落HDR.jpg / Z) h# ^1 ?1 L/ Y. ?4 g  S  H
手机拍照时使用的HDR模式也是类似的原理,只不过整个过程是全自动的,不需要人工干预就能输出有HDR效果的照片。# g/ j% `) b0 c- s# o% n# F0 M. |
从原理上不难看出,HDR照片是在纯软件层面实现的,简单来说就是把高动态的自然光线科学合理地压缩到了我们的显示器能正确还原的8bit动态范围内,我们所看到的HDR照片的实际动态范围仍然是8bit,只不过是高光部分亮度降低,低光部分亮度提高了而已。
! |/ R6 _! g: L( k6 @1 q& X4 e很多HDR风景照片看上去很震撼但是不真实就是因为照片的实际动态范围不够,跟自然光线差距太大造成的。0 X$ F0 K- c4 B% O
HDR风景照片(来自网络,侵权删除)▼4 I1 i5 a3 y, @
HDR风景.jpg - s  e4 N6 R2 T* n+ C/ y* p- j
视频领域的HDR技术要复杂一些,它是随着4K技术的普及逐渐进入到消费者视线内的,现在已经被大部分人熟知。1 @2 }( I# w* g, [6 S7 ^
与摄影领域的“软HDR”不同,视频领域从采集、制作、存储到播放、显示等所有环节能全程实现10bit以上的高动态范围,把更接近自然光线的丰富层次呈现出来,可以称之为“真HDR”。拿目前画质最好的HDR标准“杜比视界Dolby?Vision”举例,它对HDR视频制作播出的所有环节都做了详细规范,用以保留和重现更多的色彩和更大的动态范围(0.007-4000nit),最终呈现给用户的HDR视频效果才能有巨大的提升。  }& ^! f8 t6 g8 U
SONY 4KHDR演示片▼
- ]% x2 j9 s% C6 h: f# u SONY 4KHDR演示片1.jpg
7 J( c5 D- M; s6 K! v4 ?6 g! H( x4 s SONY 4KHDR演示片2.jpg
: l! b7 @* w0 k$ G$ G$ K( s7 I SONY 4KHDR演示片3.jpg
3 P* G* P9 N( Y, U2 u在用户层面,虽然新出的播放器、电视机等硬件设备都已经加入了对HDR的支持,但并不是所有支持的设备都能达到合格的HDR效果。. |# v& z) C" l+ _" l- A8 r
所有设备中显示设备对HDR效果的影响最大,根据显示效果优劣我把它们分成下面三类。
5 {! g0 V* o1 A* q! j第一类,完美支持的:
+ `. f. L' V9 D( p7 |2 [5 A# i" `这类产品通过分区背光技术(峰值亮度可达1000nit)大幅度提高了画面的动态范围,可在保留细节的情况下还原画面的高光和低光部分,再加上广色域面板的配合,能完美还原HDR效果。( v& w% G4 c  W- u* m$ S: |
使用这类产品观看HDR片源最简单最省心,一般无需特殊设置就能正常使用,效果也最好,唯一的缺点是价格比较高,并不是每个人每个家庭都舍得购买。
* g- Q9 N% i( B& I  M% g5 b常见产品:高端旗舰电视机投影机。
# C/ @* h8 ^% c( q6 N第二类,硬件支持的:& H7 w. R, M. q. Y& ?
这类产品没有分区背光,但背光亮度比普通产品有小幅度提高,一般能达到400nit,通过动态调节背光的方式小幅度提高画面的动态范围。它们的视频输入接口可接入HDR视频信号,并通过机内硬件把HDR视频信号转化为与本机硬件匹配的SDR(标准动态范围)信号显示出来。实际就是用硬件电路把HDR信号压缩成SDR信号显示,类似于摄影领域的“软HDR”,用户看到的HDR画面实际的动态范围并没有比SDR强多少。这类产品最终显示效果取决于面板的素质和硬件电路调教水平,好点的产品HDR效果比SDR有小幅度的提升,差点的产品开启HDR模式后甚至会出现偏色,对比度失常。
7 [, h2 t& T. z7 @( h6 J. X1 u8 Z使用这类产品观看HDR片源也很简单,一般无需特殊设置就能正常使用,有的接入外部HDR信号时还会有提示。
- N0 K, z& i- T# z+ q; r常见产品:支持HDR信号的新款中低端电视机投影机和部分电脑显示器。" _/ p' y* ^: t8 X$ I' W5 m" D$ h
第三类,完全不支持的:3 S% O8 f6 W+ Y
这类产品完全不支持HDR功能,只能接入SDR信号,用这类产品观HDR片源看需要用播放设备把HDR信号转化为SDR信号才能正常显示。# U( u0 y/ s  C2 F8 z
使用这类产品观看HDR片源最麻烦,用使电脑播放时需要在软件上进行复杂的设置才能有好的显示效果,使用播放器也需要改变输出模式才能正确显示画面,最终显示效果取决于播放器HDR转换SDR的算法质量。9 X% c1 V6 s) T8 H# s% o! x  F9 u, c
常见产品:不支持HDR信号的老款电视机投影机和大部分显示器。
  e" C! i& y) Q- Z1 k) y" t所以目前只能在高端电视机或者投影机上才能体验完美的HDR效果,普通电视机投影机虽然能够勉强显示,但是呈现出动态范围已经大打折扣,与普通SDR片源相差无几。7 U4 O" Z: t+ Q
海洋我们的蓝色星球▼6 b! ~4 p) a) c4 v- q2 t
海洋:我们的蓝色星球1.jpg # [& C% _0 C: n* e0 R* [! R
海洋:我们的蓝色星球2.jpg
- v) O; l( P/ e& h3 P& k2 S6 G经常看到个别网友对HDR电视存在一个误区:旗舰电视机动辄1000nit以上的亮度会亮瞎眼,对眼睛不好。
% Y( K* t6 T2 _8 ?1 }% V8 r3 S  q! Z我想说这样的担心真的是多余了,从电视厂家角度考虑,各大品牌总不会生产出一堆让用户感到不适的产品吧,况且大家也从没见过哪个买了旗舰电视的大佬抱怨电视画面亮瞎眼吧。- o: ]# N) E  E8 F6 T/ b
目前HDR电视亮瞎眼只在一种情况下出现,那就是没有经过特殊处理的外挂字幕,估计经常看HDR片源的朋友都有过这样的经历。我们知道网上的大部分字幕的颜色都是白色,在屏幕上的亮度等于屏幕背光的亮度,看SDR片源还好,看HDR片源时就是灾难了。电视开启HDR模式后,针对屏幕上的纯白区域会启用最高背光亮度来显示,电视性能越强,字幕就越刺眼。为了应对这种情况,蓝光片源内置的字幕都是灰色,有经验的网友寻找第三方字幕时也会尽量使用灰色字幕,或者在播放器内把外挂字幕强行设置成灰色。
& ^  `  k# Y/ p3 c8 U然后回过头来继续说HDR画面亮度问题,前文也说了,HDR技术的初衷是还原自然界的真实画面,那么自然界的真实光线会亮瞎眼吗?引用一组网上查到的数据:
% s- O& Y0 _3 S4 a4 ]“银色汽车的引擎盖发出的光芒亮度是6000尼特,阳光下的一朵小黄花亮度可以达到14700尼特,即便是一块位于阴暗处的台阶亮度也有185尼特,而在阳光照射下的黑色沥青亮度可以达到2100尼特”
% h' M( u) L6 _0 k" ~: F- h如果这样高的亮度你都没有觉得刺眼,那么旗舰电视区区1000nit的峰值亮度就能亮瞎眼吗?
/ v$ k+ G" ?9 O! p' W) T; ~+ n8 X杜比视界白皮书插图▼+ @2 D* _, F, S0 q" n
DOLBY_VISION_WHITE_PAPER-3.jpg
: Q5 y: ?1 `- L) w! R# z+ MHDR电视的背光f峰值亮度虽然很高,但它并不会一直输出最高亮度,而是会根据画面内容动态调整,尤其是有分区背光功能的电视,只有在需要的时候才会在屏幕的画面的高光部分输出最高亮度,那时候用户感受到的亮度绝对不是刺眼,而是震撼。
: \+ O" ^- r6 \; T3 I1 q疯狂的麦克斯4:狂暴之路▼
$ r8 i* J, s2 B5 _+ M9 u2 [! \ 疯狂的麦克斯4:狂暴之路1.jpg
* z4 D; X0 g! V& f7 N4 p 疯狂的麦克斯4:狂暴之路2.jpg * r; H( N8 ]" r
GIF疯狂的麦克斯4:狂暴之路2.gif 2 `  q% k2 U; z2 ]" E7 u# [
以上, 感谢观看。# @: c, _! i  }

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发烧友评论43

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michaellv 发表于 2019-9-16 16:26:16 | 显示全部楼层
frogyzq 发表于 2019年9月16日 09:28
/ B) ~( K, g( X8 T& Q1 {不完全是,OLED的黑位无限黑,所以明暗对比度比亮度更高的LED更高,但是如果是看高光场景多的片源,LED的 ...

2 W, Y8 C9 P  d# w$ x* }HDR,按照字面解释就是高动态对比度,而不是高动态亮度!OLED是像素级的自发光,而LCD最多也就是区域光控被动发光,所以OLED的原生对比度是完全吊打现在任何LCD的,但OLED电视机只是白光oled,所以在灰阶上又是反过来被LCD吊打,对于暗场多的片源:oled电视机的暗部细节是比不了LCD电视机的,但对于高光场景多的片源,oled吊打LCD则是毫无悬疑的,所以你的结论完全就是相反了!0 r( P2 a3 E2 f8 K, N
6 n  ?5 s9 c, F, {7 ~/ n& E# j1 w
HDR视频的峰值亮度高的能轻易超过5000nit,比如巨齿鲨和黑鹰坠落,但这并不代表显示器亮度没到5000nit就不能显示了,或者显示出来的是有很大缺陷的,事实是制作HDR视频用的专业监视器的峰值亮度也就1000nit,而超过1000nit其色调映射转化的曲线是很平缓的。8 R  U7 ]3 q. _4 O+ f$ F# n
" O& z- r$ |! p. D
另外,目前UHD视频还是源于电影制作,所以不管是拍摄、灯光还是后期,制作的重点还是在电影院里的播放效果,而现在亮度最高的杜比影院,其屏幕亮度也不会超过100nit,HDR当然需要显示器有较高的亮度,但亮度并不是最关键的因素!
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raincnc 发表于 2019-11-11 14:33:20 | 显示全部楼层
虫马虫义sjz 发表于 2019-9-18 11:37$ I  `! k6 E7 L  ^3 t
什么品牌型号的电视啊,个人不建议随意调亮度对比度,出厂设置就是厂家调好的适应性最佳的设置,有不同显 ...
8 R, S8 q8 l( n6 q/ p8 Z- z
感谢,过了这么久才回来回帖,确实按照你的调整了电视,播放4K电影的时候,开启HDR后色彩真的不同,现在眼睛刁了,没有HDR的4K片源直接都不看了
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raincnc 发表于 2019-9-24 21:09:06 Hao4K手机版 | 显示全部楼层
虫马虫义sjz 发表于 2019年9月18日 11:37, h3 h5 _9 J8 s
什么品牌型号的电视啊,个人不建议随意调亮度对比度,出厂设置就是厂家调好的适应性最佳的设置,有不同显 ...

$ Q7 y& A& K# T5 V4 k! S8 b收到,谢谢楼主,现在电视都有各种模式,我开启试一下
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lizhi81 发表于 2019-9-20 22:46:58 | 显示全部楼层
谢谢楼主分享。
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Georgelei 发表于 2019-9-20 16:11:03 | 显示全部楼层
HDR确实不错,但是支持HDR的显示器还是有点贵
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josephlok 发表于 2019-9-19 23:25:53 | 显示全部楼层

9 ~- X7 L6 X( D0 r不错!感谢分享
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josephlok 发表于 2019-9-19 23:25:46 | 显示全部楼层
& W; U" S2 C3 [/ e4 X! f% |% s2 F! i/ f
不错!感谢分享
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DANTE5 发表于 2019-9-19 21:55:17 | 显示全部楼层
虫马虫义sjz 发表于 2019年9月19日 20:43
* M4 m0 N) K& E6 _" o  i按说不应该啊,我这8000E看4K蓝光原盘都有提升,喜欢颜色鲜艳的话可以试试标准模式
7 K6 ]5 a& g% w/ t, l9 B
我用的就是标准模式 颜色是对比电脑上hdr转sdr的颜色淡 电脑上的颜色非常重 估计你们可能看起来会失真 单看hdr颜色是正常的
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虫马虫义sjz 发表于 2019-9-19 20:43:52 Hao4K手机版 | 显示全部楼层
DANTE5 发表于 2019年9月19日 20:16
0 y, i0 \. l: [* R+ h我的9500g就是开了hdr颜色变淡了 也可能我之前是在电脑上hdr转sdr看的 颜色非常鲜艳看习惯了 或者9500g真 ...

  _$ @! ^+ K' `" o按说不应该啊,我这8000E看4K蓝光原盘都有提升,喜欢颜色鲜艳的话可以试试标准模式
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 楼主| DANTE5 发表于 2019-9-19 20:16:37 | 显示全部楼层
虫马虫义sjz 发表于 2019年9月15日 17:49+ z& T3 ~# f; o% \
看电视档次了,文章里说的第二类设备就是这样

; H% r# t+ Z5 t; W+ x我的9500g就是开了hdr颜色变淡了 也可能我之前是在电脑上hdr转sdr看的 颜色非常鲜艳看习惯了 或者9500g真的不适合看hdr
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boveyl 发表于 2019-9-19 18:14:10 | 显示全部楼层
这个帖子还是不错的!
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feijishi 发表于 2019-9-19 12:57:02 | 显示全部楼层
yongxin1 发表于 2019年9月15日 15:22( c7 _0 s2 m1 {2 E
但是我很好奇,为啥OLED电视的峰值亮度不高,才几百。观看HDR的评分反而比旗舰LCD要高。

2 H) F" R0 s* V2 u0 P8 t/ Woled的黑暗区域是不通电不发光的,是真正的黑暗。
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michaellv 发表于 2019-9-19 10:16:48 | 显示全部楼层
yongxin1 发表于 2019年9月19日 09:20; {9 A0 c: C7 W
“现在亮度最高的杜比影院,其屏幕亮度也不会超过100nit”?!!确定没打错?
/ v( T) Y- P: p6 j
杜比影院 2D亮度标准是31FL,换算一下=106nit,但现在国内还有2D的电影吗?如果是放杜比3D那么亮度标准是14FL,换算一下=48nit,我说不超过100nit有夸张了吗?
7 Y) x  ^) S" [& x# B  ]
. _/ j$ Z1 }- x* D! e1 Q  o  NPS: 电影院都是标准的暗室环境,个人如果没有独立的封闭的影音室,是根本没法和其比放映环境的!
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yongxin1 发表于 2019-9-19 09:20:02 | 显示全部楼层
michaellv 发表于 2019年9月16日 16:26+ o, `2 }9 O' n3 w3 t3 k. ?( G
HDR,按照字面解释就是高动态对比度,而不是高动态亮度!OLED是像素级的自发光,而LCD最多也就是区域光控 ...

; I3 G, f' l: ?9 U& s* G“现在亮度最高的杜比影院,其屏幕亮度也不会超过100nit”?!!确定没打错?
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short_hair 发表于 2019-9-19 00:51:05 Hao4K手机版 | 显示全部楼层
学习了,好文章
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ken183118 发表于 2019-9-18 21:18:27 Hao4K手机版 | 显示全部楼层
虫马虫义sjz 发表于 2019年9月18日 21:12& n; e* @) N& H% w
换成家庭电影模式或者专业电影模式试试
, p# u8 @; H5 b4 m- E% ^
就是用的电影模式。还有楼主文章写得很用心,谢谢分享
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